I trattamenti biologici di depurazione sfruttano l’azione depurativa dei microrganismi.
Questi trattamenti comprendono:
Nei trattamenti biologici vale la seguente equazione:
biomassa + sostanza organica = biomassa accresciuta
I processi biologici sono fondamentalmente di tre tipi
I microrganismi hanno dei range di funzionalità intorno ad un pH neutro, una temperatura compresa tra la temperatura ambiente e 55-60 °C e sono composti circa dal 50% di carbonio, 30% di ossigeno, 12% di azoto, 2% di fosforo e 5% di idrogeno.
La biomassa viene caratterizzata con le sigle BOD e COD che riassumono in un numero l’insieme di massa organica in un certo tipo di acqua.
Il più espressivo è il BOD ovvero la domanda biochimica di ossigeno cioè la massa di ossigeno richiesto per la stabilizzazione dei materiali organici presenti dopo 5 giorni di incubazione a 20°C. Si determina l'O2disciolto nei campioni d'acqua in esame prima e dopo un periodo di incubazione al buio, a 20°C , per 5 giorni in presenza di una data flora batterica. Quindi il valore del BOD5 espresso in mg/l di ossigeno è determinato come differenza tra i contenuti di O2 nei due campioni, prima e dopo il periodo di incubazione.
Il COD misura invece la quantità di ossigeno utilizzata per l'ossidazione di sostanze organiche e inorganiche contenute in un campione d'acqua a seguito di trattamento con composti a forte potere ossidante. La richiesta chimica di ossigeno consumato per l'ossidazione delle sostanze organiche ed inorganiche in un campione d'acqua si misura in mg/l di O2 . Il COD ci da un'indicazione del contenuto totale delle sostanze organiche ed inorganiche ossidabili e quindi della contaminazione antropica.
Questo parametro, come il BOD5, viene principalmente usato per la stima del contenuto organico e quindi del potenziale livello di inquinamento delle acque naturali e di scarico.
Generalmente la scomparsa della sostanza organica segue la legge seguente:
indicando con [delta]x la formazione della biomassa, e con mx il fattore di respirazione endogena o fattore di auto-distruzione della biomassa.
L’equazione mostra chiaramente che una variazione del tasso di BOD porta una crescita lineare della biomassa, chiamata crescita apparente se non viene considerato il termine di respirazione endogena.
In particolare, la biomassa si genera dalla reazione endotermica tra azoto, fosforo, sostanza organica. Successivamente la biomassa assorbe ossigeno liberando anidride carbonica e acqua generando una reazione esotermica. Il rapporto tra queste due quantità di energia è di difficile stima pertanto risulta molto difficile scrivere un bilancio energetico del sistema. I termini delta(x) e delta(BOD) sono misurabili e non calcolabili, pertanto si ricavano empiricamente.
Successivamente basta interpolare la retta si ricavano i parametri Y e m. L’equazione precedente può anche essere scritta come:
Ritornando all’equazione
si può scrivere che
ovvero entrambi i termini sono espressi in termini di variazione di concentrazione nel tempo. Quindi si ottiene:
avendo indicato con V il volume della vasca di reazione, (L0 – L) la variazione tra la concentrazione iniziale e finale dell’inquinante organico, Q la portata volumetrica e M la massa di microrganismi presenti nella vasca.
Il coefficiente m è espresso come [t-1] e Y è dimensionale. Tali coefficienti vengono determinati per via empirica nel seguente modo:
che successivamente, dividendo tutto prima per x e poi per Y, diventa:
Da questa formula è possibile ricavare m e Y tramite la retta che interpola i punti sperimentali di coordinate
La pendenza della retta sarà pari a 1/Y mentre l’intercetta sarà pari a m/Y.
La stima dell’ossigeno consumato si calcola mediante il semplice bilancio:
dato dalla somma del consumo di ossigeno per la crescita della biomassa, un consumo di ossigeno per il mantenimento e un consumo di ossigeno legato al processo di nitrificazione.
Per la biomassa nitrificante, inoltre, si può scrivere il bilancio di massa trascurando l’ossigeno richiesto per il mantenimento:
Se consideriamo un reattore continuo è possibile definire un parametro utile al dimensionamento dello stesso, ovvero l’età del fango cioè il tempo di permanenza dei microrganismi dentro il reattore continuo:
il quale esprime il rapporto tra la massa di microrganismi dentro il reattore e la portata in massa dei microrganismi estratti (e quindi prodotti dentro la vasca). In un sistema continuo e senza ricircolo e in caso di reattore perfettamente miscelato non si hanno variazioni di concentrazione dentro la vasca, quindi le concentrazioni in qualsiasi punto del reattore sono le stesse. Si ha quindi in questo caso:
dove Q è la portata in ingresso al reattore e V il suo volume. Quindi si può scrivere:
Il termine di rimozione dell’inquinante YQ(L0-L) può essere scritto come una cinetica del tipo:
quindi si ottiene l’equazione:
da cui si può ricavare il valore di L ovvero la concentrazione dell’inquinante organico all’uscita della vasca:
I coefficienti kL e k sono ricavati nientemeno che dall’equazione:
già ricavata in precedenza:
ovvero:
la cui equazione rappresenta una retta in cui l’intercetta è1/k e la pendenza kL/k. I dati sperimentali sono i seguenti:
La formula
è utile perché permette di calcolare l’età del fango in funzione della quantità di BOD da rimuovere, senza mettere in ballo il volume del reattore.
Processi anossici
In questi reattori sono presenti microrganismi che ossidano il BOD attraverso i nitrati anziché l’ossigeno, infatti questi processi avvengono in assenza di ossigeno. La sostanza organica più il nitrato formano un flusso di uscita di anidride carbonica e N2.
La legge cinetica del consumo di inquinante è la seguente:
dove il termine rappresenta la fabbricazione di biomassa e il termine il fattore energetico che dipende da quanti microrganismi dobbiamo mantenere in vita.
Trascurando il fattore energetico, la cinetica di scomparsa dell’inquinante segue la legge:
dove S è la concentrazione di inquinante.
Per conoscere la quantità di microrganismi in un campione di liquido lo si porta in laboratorio, lo si pesa, lo si mette in forno a 600 °C e poi lo si pesa nuovamente: la differenza di peso (data dalla sostanza volatile che è stata bruciata) dà una stima approssimata del contenuto di microrganismi.
I reattori possono essere:
Possono essere utilizzati diversi tipi di reattori:
Altri articoli della categoria "ingegneria sanitaria ambientale":
Nessun commento:
Posta un commento